PMAC控制下的高轉(zhuǎn)臺(tái)雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 PMAC控制下的高轉(zhuǎn)臺(tái)雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試 PMAC 是一個(gè)開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制器，它有多種型號(hào)，系統(tǒng)使用的是TURBO PMAC型卡，該卡在國(guó)內(nèi)的使用不多。用PMAC控制轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從理論上來(lái)講，伺服環(huán)內(nèi)各元件誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，因而可以到達(dá)很高的跟隨精度和定位精度，但由于受機(jī)械變形、溫度變化、振動(dòng)及其它因素的影響，要實(shí)現(xiàn)高精度、良好的穩(wěn)定性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試有一定的難度。就PMAC 控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)展調(diào)試過(guò)程中遇到的幾個(gè)問(wèn)題開(kāi)展分析，并提出解決方法，以供大家借鑒。 1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.1 PMAC 概述 美

2、國(guó)DeltaTau 公司的可編程多軸運(yùn)動(dòng)器（PMAC）是世界上功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數(shù)字信號(hào)處理器，可以同時(shí)操縱18 個(gè)軸。而且它還可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)開(kāi)展優(yōu)先等級(jí)判別，從而開(kāi)展實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理，這使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這方面大大減輕主機(jī)和編程器的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。PMAC 具有開(kāi)放平臺(tái)，不僅可以用G 代碼，而且可以用C 或BASIC 語(yǔ)言編程，它能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在它內(nèi)部的程序開(kāi)展單獨(dú)的運(yùn)算，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、PLC 程序，并可開(kāi)展伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計(jì)算機(jī)開(kāi)展通訊。 1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該控

3、制系統(tǒng)由PC（上位機(jī)）、PMAC 控制器（下位機(jī)）、Dynaserv驅(qū)動(dòng)器、PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、測(cè)量與反應(yīng)系統(tǒng)組成。其控制原理，如圖1 所示。PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)與一般工作臺(tái)不同，它的電機(jī)是無(wú)刷直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臺(tái)面是電機(jī)的轉(zhuǎn)子，沒(méi)有了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣就減少了傳動(dòng)誤差。該系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其雙閉環(huán)系統(tǒng)不同于通常的雙閉環(huán)，其速度環(huán)和位置環(huán)共用圓光柵位置反應(yīng)信號(hào)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、F/V 轉(zhuǎn)換、速度反應(yīng)電路組成，它可以實(shí)現(xiàn)速度恒值控制。位置環(huán)由PMAC 中位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及位置

4、反應(yīng)電路組成。 圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)構(gòu)造原理圖 由于沒(méi)有了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此安裝在轉(zhuǎn)子上的圓光柵所反應(yīng)的值既反映了轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際位置，又反映了電機(jī)的輸出，速度環(huán)中該值通過(guò)F/V 轉(zhuǎn)換成速度量，F(xiàn)/V 轉(zhuǎn)換是通過(guò)計(jì)數(shù)的頻率來(lái)轉(zhuǎn)換成模擬電壓（一般是以25kHZ/V 的速率轉(zhuǎn)換）。反應(yīng)信號(hào)是增量式A/B 相正交脈沖信號(hào)?？刂妻D(zhuǎn)臺(tái)的是PMAC型卡，系統(tǒng)中的圓盤光柵尺精度高，可達(dá)655360 線/轉(zhuǎn)，當(dāng)PMAC 四倍頻后，其分辨率可到達(dá)2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。 2 系統(tǒng)調(diào)試 對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，不但要對(duì)控制卡開(kāi)展參數(shù)設(shè)置，而且要對(duì)驅(qū)動(dòng)器開(kāi)展參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)調(diào)試中會(huì)遇到很多問(wèn)題，本節(jié)只就其中幾個(gè)問(wèn)題開(kāi)展分析討論。

5、 2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)單方向漂移的問(wèn)題 在完成系統(tǒng)連接后，我們用PMAC 的調(diào)試軟件Pewin32 開(kāi)展調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象：轉(zhuǎn)臺(tái)沿順時(shí)針?lè)较蛞院苄〉乃俣纫苿?dòng)。在設(shè)置了常用的PMAC 參數(shù)后，單方向漂移問(wèn)題仍然存在。 為解決這個(gè)問(wèn)題，我們對(duì)有可能的原因一一分析。首先我們懷疑是硬件系統(tǒng)連接引起的，在核對(duì)控制線路圖、重新檢查硬件連線后該現(xiàn)象仍然存在。然后我們懷疑是驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置有問(wèn)題，由于在出廠前其驅(qū)動(dòng)器dynaserv 可能設(shè)置了一些參數(shù)，為此，我們用park 自帶的調(diào)試軟件DRVG開(kāi)展調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺(tái)沒(méi)有出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象。由此可以推斷出不是驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題，而確定為PMA

6、C 與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的匹配或PMAC 參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題。經(jīng)仔細(xì)查找，發(fā)現(xiàn)編碼器I 變量I7mn6（轉(zhuǎn)臺(tái)軸對(duì)于伺服卡號(hào)m 為2，通道數(shù)n 為4，即為I7246）的設(shè)置有可能不正確，I7mn6是控制TURBOPMAC型卡中編碼器接口通道n 的命令輸出信號(hào)線的輸出模式，該變量的值可?。?3），默認(rèn)值是0，表示第n 通道編碼器信號(hào)A、B 和C 是三相直流PWM（脈寬調(diào)制）格式輸出。而該系統(tǒng)的編碼器A&B 相輸入信號(hào)要經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，其對(duì)應(yīng)的I7246 設(shè)置為3，z 重新設(shè)置后，單方向漂移問(wèn)題得到了解決。 2.2 閉環(huán)后轉(zhuǎn)臺(tái)漂移問(wèn)題 在Pewin32 中讓轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)手動(dòng)運(yùn)行，用“j/”結(jié)束運(yùn)行后，轉(zhuǎn)臺(tái)不能完全停

7、止，而是沿著某個(gè)位置來(lái)回的漂動(dòng)，通過(guò)編碼器反應(yīng)顯示，其漂動(dòng)值在100 個(gè)脈沖左右。執(zhí)行“HM”命令使轉(zhuǎn)臺(tái)回零，回零運(yùn)動(dòng)也不能完成，出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。將手放在轉(zhuǎn)臺(tái)上能夠感知到轉(zhuǎn)臺(tái)在左右抖動(dòng)。在開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有這種情況出現(xiàn)。 根據(jù)以上的現(xiàn)象，排除系統(tǒng)連接引起的故障，初步得出是轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系反應(yīng)引起的漂移。由于我們的調(diào)試環(huán)境不是很好，首先我們想到的是電磁干擾引起編碼器的讀數(shù)不準(zhǔn)確，從而使得伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)一直在目標(biāo)位置左右來(lái)回移動(dòng)。但我們?cè)跊](méi)有給電機(jī)使能時(shí)，通過(guò)Pewin32 觀察編碼器反應(yīng)顯示，其值穩(wěn)定，如果電磁干擾能引起編碼器的輸出不確定，則電機(jī)沒(méi)有使能時(shí)，編碼器反應(yīng)顯示應(yīng)不穩(wěn)定，故排除了環(huán)境影響引起故

8、障。在尋求技術(shù)支持時(shí)，產(chǎn)品供方提出有可能是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)硬件濾波器引起。但經(jīng)分析，因?yàn)闉V波器應(yīng)該是必須的，覺(jué)得硬件濾波器引起的可能性不大。還是回到PMAC 控制上來(lái)考慮，PMAC 與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的匹配沒(méi)有設(shè)置正確。經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析排除，得出有可能是伺服IC 的I 變量設(shè)置不正確，I7mn0，它是控制在TURBO PMAC型卡中伺服IC 號(hào)為m，通道數(shù)為n 上的編碼器輸入信號(hào)如何譯碼成脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)應(yīng)的是變量是I7240：伺服IC2、4 通道編碼器譯碼，其值可取015，默認(rèn)設(shè)置是7，指四倍頻反時(shí)針譯碼。在正交譯碼模式中，PMAC 希望在CHA 和CHB 有兩路波形輸入，每一路能有大約50的占空比，且彼此之間

9、有大約四分之一周期的相差，四倍頻譯碼使每一個(gè)周期提供四個(gè)脈沖數(shù)，我們一直認(rèn)為設(shè)置為7 沒(méi)有錯(cuò)，因?yàn)樾枰谋额l譯碼后獲得的分辨率。 PMAC型卡提供了編碼器譯碼方式可以是內(nèi)部脈沖方向，其譯碼器輸出的脈沖方向信號(hào)是由n 通道中的脈沖頻率調(diào)節(jié)器（PFM）輸出電路產(chǎn)生的。它可以產(chǎn)生一個(gè)假想的閉環(huán)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)。我們分析如果將轉(zhuǎn)臺(tái)的編碼器譯碼方式設(shè)置為內(nèi)部脈沖方向，其譯碼輸出由內(nèi)部脈沖頻率調(diào)節(jié)器（PFM）輸出電路產(chǎn)生，這樣可以防止一些PMAC 與驅(qū)動(dòng)器間的不匹配。在將I7240 設(shè)置為8（內(nèi)部脈沖方向）后，我們將轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)后，來(lái)回漂動(dòng)現(xiàn)象消除了，用“j10000”運(yùn)行（手動(dòng)走到位置為10000coun

10、ts 處）后編碼器反應(yīng)顯示為10000counts，沒(méi)有了抖動(dòng)，并且在設(shè)置為內(nèi)部脈沖方向后，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果看，其編碼器反應(yīng)進(jìn)入PMAC 后也開(kāi)展了四倍頻，分辨率到達(dá)2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。到此，該故障得以排除。 2.3 PID 調(diào)節(jié) 在系統(tǒng)中，為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)開(kāi)展校正和調(diào)整，所以當(dāng)系統(tǒng)的基本特性（包括機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)選型等）確立后，就需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)開(kāi)展調(diào)整了。在以PMAC 為控制器的系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)它提供的PID速度/加速度前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)能解決大部分的系統(tǒng)特性問(wèn)題，這些參數(shù)包括比例增益（proportional）、積分增益（integral）、微分增益

11、（differential）（即PID 控制）；速度、加速度前饋（feedforward）；摩擦增益等等。典型PID 伺服環(huán)，如圖2 所示。 圖2 典型PID伺服環(huán) Pewin32 提供了兩種信號(hào)源（脈沖和正弦波信號(hào)）開(kāi)展PID調(diào)整，脈沖響應(yīng)過(guò)程主要是用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D 等參數(shù)，而正弦波響應(yīng)主要是用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。PID 調(diào)整過(guò)程首先將所有運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)程序和PLC 程序停止，然后自己一段小程序，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，繪制出脈沖或正弦響應(yīng)曲線，讓用戶通過(guò)響應(yīng)曲線來(lái)判斷系統(tǒng)的特性。 PID 調(diào)整必須在了解各參數(shù)的具體作用，并不斷的實(shí)驗(yàn)，是先作脈沖響應(yīng)調(diào)整，主要調(diào)整比例、積分、微分增益

12、，在脈沖響應(yīng)曲線調(diào)整的狀態(tài)下，不要更改比例、積分、微分增益，作正弦響應(yīng)調(diào)整，正弦響應(yīng)調(diào)整主要調(diào)整速度、加速度前饋和摩擦增益等參數(shù)，以下對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)空載的PID 開(kāi)展調(diào)整，在經(jīng)多次調(diào)整后我們得出了各參數(shù)的化設(shè)定值。各參數(shù)意義及設(shè)定值，如下表1 所示。 表1 PID調(diào)節(jié)參數(shù)意義及設(shè)定值 在該參數(shù)下，得出脈沖響應(yīng)和正弦響應(yīng)曲線，如圖3 所示。從圖中可以看出，脈沖響應(yīng)曲線中，命令位置和實(shí)際位置基本重合，正弦響應(yīng)曲線中指令速度曲線和時(shí)間速度曲線已經(jīng)完全重合，速度跟隨誤差很下，幅值只有4 個(gè)脈沖。在該種調(diào)試狀態(tài)下，我們用數(shù)控程序運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)其跟隨誤差只有1 個(gè)脈沖計(jì)數(shù)，相當(dāng)在圓周上0.5s 角度的誤差，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)已經(jīng)相當(dāng)快了。 圖3 PID調(diào)整曲線 3 結(jié) 論 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)試過(guò)程中，一般會(huì)遇到許多的問(wèn)題，總結(jié)起來(lái)在調(diào)試時(shí)應(yīng)注意： （1）硬件連線：仔細(xì)檢查驅(qū)動(dòng)器與轉(zhuǎn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器與控